数字视频监控单元的设计

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摘要：介绍了一个基于嵌入式平台而设计的视频监控系统。采用TMS320DM365为核心的处理器，通过模块化的方式设计了一种智能数字视频监控单元。单元包括视频采集输入、外部存储器、以太网和视频输出4部分。该设计利用了TMS320DM365的多外围接口特性，选用4个芯片，以满足其视频处理功能。单元的视频采集输入使用TVP5158视频解码器，DDR2 SDRAM采用W971GG6IB，NAND FLASH为K9F2808U0C，以太网控制器采用ENC28J60。该系统的处理器核工作速率高达300 MHz。
关键词：TMS320DM365；数字视频；监控；外围接口
0 引言
    视频监控系统已经广泛地应用在日常生活中，其稳定、可靠的工作已经成为保证人民生产、生活正常运转的必要条件。可靠快速地采集输入、编解码以及处理传输成为视频处理设备设计的关键点。本文介绍了一种基于达芬奇技术的数字视频单元。单元主要完成对视频信息的智能采集处理功能和集成影象处理功能。
1 视频单元的组成及硬件设计
    视频单元以TMS320DM365为核心处理器芯片，并以TMS320DM365为中心设计视频缓冲、视频解码等功能。单元的硬件主要有达芬奇处理器芯片(TMS320DM365，以下简称DM365)、视频解码器芯片(TVP5158)，DDR2 SDRAM，FLASH，ENC28J60以太网控制器、电源管理芯片等。视频单元的框图如图1所示。本文主要介绍了视频采集输入部分、外部存储器部分、以太网部分和视频输出部分这4部分。




    DM365高度集成了众多组件，其中包括符合生产要求的H．264，MPEG-4，MPEG一2，MJPEG与VC1编解码器，可满足智能视频处理功能的集成影像信号处理(ISP)解决方案和一系列板载外设等，可降低系统成本。
    视频单元工作原理如下：TVP5158视频解码芯片把CCD摄像头传过来的模拟视频信号进行模／数转换，变成符合ITU-R BT．656或YUV标准的数字视频信号；然后将数字视频信号传输到达芬奇处理器的视频处理子系统的前端，进行预处理后送到视频处理子系统的后端，视频处理子系统的后端对数字视频信号进行编码后直接将其输出到显示器终端上。DM365上的ARM端主要作为控制器来控制视频解码芯片和外围接口芯片。

                          
                       
                          
                               
1．1 视频采集输入设计
    摄像头将采集到的模拟视频信号传输给TVP5158视频解码器。该TVP5158器件是一个4通道、高品质NTSC／PAL视频解码器，它用数字化编码所有基带模拟视频格式，使其变为数字视频信号输出。该编码器的每个通道都包含10位27 MSPS的模／数转换器。TVP5158支持NTSC(J，M，4.43)和PAL(B，D，G，H，I，M，N，Nc，60)标准视频同时输入。每个视频解码通道均支持复合信号输入。TVP5158输出端口支持8位的ITU-R BT，656和16位4：2：2 YUV格式。TVP5158视频解码器再将解码信号传输给DM365的视频处理前端(VPFE)。TVP5158高度灵活的视频输出与DM3 65的无缝接口可取消对外部FPGA的需求。TVP5158与DM365的接口框图如图2所示。




    TVP5158输出8位的ITU-RBT．656和16位4：2：2 YUV格式视频。DM365支持ITU-BT．601／BT．656／BT．1120数字YCbCr 4：2：2(8 b／16 b)格式视频，所以本系统中DM365采用YCbCr 4：2：2的8位ITU-R BT．656视频捕获模式，该系统不需要外部行／场同步信号。TVP5158的DVO引脚与DM365的YIN引脚相连，以用来传输数据。
1．2 外部存储器设计
    在该单元中，选用的外部存储器为一个DDR2SDRAM芯片和一个NAND FLASH芯片。在该单元中，采用华邦电子公司的1 GB DDR2 SDRAM作为主存储器，型号为W971GG6IB。DM365与W971GG6IB的接口框图如图3所示。



    CLK和是时钟信号引脚，芯片时钟通过这两个引脚输入。为行地址锁存，为列地址锁存，为写使能，这三个引脚可对输入命令进行规定。当片选为高电平时，所有的外部命令都被禁止；还可提供外部组选择。A0～A12为地址总线，芯片中行地址为A0～A12，列地址为A0～A9，其中的A10是自动预充电标志。因为该单元选用一个1 GB的DDR2SDRAM，所以选择BA0和BA1两个引脚对片内8个组进行选择。DQ0～DQ15为双向数据总线引脚，可支持16位宽度的数据传输。当DDR-DQS进行写操作时，数据输出到芯片中；当DDR-DQS进行读操作时，芯片的数据输入到DM365中。DDR-DQS1用于DDR-DQ[15：8]，DDR-DQS0用于DDR-DQ[7：0]。LDQS与DDR-DQS0相连，LDQS与DQ0～DQ7上的数据相对应；UDQS与DDR-DQS1相连，UDQS与DQ8～DQ15上的数据相对应。LDQS和UDQS分别为低位和高位数据选通，只有在不同数据选通模式通过EMR的控制位被使能时才被使用。
    单元中选用的NAND FLASH为三星公司的K9F2808UOC，它为一个132 MB的闪存，其中的内存容量分为16M×8 b容量和4 MB的备用容量。该存储器阵列包含1 024个独立可擦除块，每个数据块包含16KB。K9F2808U0C的8个I／O引脚是地址复用的，这样可减少引脚数，并方便系统升级，闪存电源为3．3 V。DM365与K9F2808U0C的接口框图如图4所示。




    图4中I／O0～I／O7为数据输入／输出引脚，与EM-D[O：7]引脚相连，实现数据的传输。I／O引脚用于输入命令、地址和数据，还用于在读操作时输出数据。引脚与EM-CE0引脚相连，实现片选功能。引脚与EM-OE引脚相连，对串行数据输出进行控制。引脚与EM-WE引脚相连，控制了对I／O端口的写操作。命令、地址和数据被锁在脉冲的上升沿。为输出引脚，与EM-WAIT引脚相连，它表明了设备操作的状态，当低电平时，它表明一个程序、擦除或随机读操作正在进程中，并在结束后返回到高电平状态。
                          
                       
                          
                               
1．3 以太网设计
    DM365通过ENC28J60以太网控制器与网络进行通信，其接口框图如图5所示。




    ENC28J60以太网控制器是美国微芯科技公司推出的产品，适用于精简的嵌入式网络应用。DM365的SPI接口与ENC28J60芯片的SPI接口相连。为片选输入引脚，SCK为时钟输入引脚，SI为数据输入引脚。ENC28J60芯片与RJ-45接口之间还需要连接两个网络变压器。在差分接收引脚(TPIN+／TPIN-)上连接一个专用于10BASE-T操作的1：1脉冲变压器；在差分发送引脚(TPOUT+／TPOUT-)上连接一个带有中心抽头的1：1脉冲变压器。变压器起到电平转换及电气隔离的作用。
1．4 视频输出设计
    LCD显示器与视频处理后端相连。视频输出部分框图如图6所示。




    OSD模块的主要功能是采集和混合视频数据以及显示／位图数据，并将它们以YCbCr格式传输给视频编码器(VENC)。视频和显示数据从外部DDR2／mDDR存储器读取。
2 结语
    该设计采用DM365视频处理芯片，充分利用其外围接口多的特点，选用了一些外围接口芯片，以满足智能视频处理的功能。